分布式空间系统  082501M05002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:张皓
授课时间: 星期二,第5、6、7 节
授课地点: 教二楼213
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14
课程编号: 082501M05002H 课时: 38 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:张皓 助教:
英文名称: Distributed Space Systems 召集人:

教学目的、要求

《分布式空间系统》为航空宇航学科研究生的专业普及课。
分布式空间系统是一个多航天器协同概念,是将传统单个航天器的功能分布于多个近距离飞行的航天器之间,旨在提升系统的功能并降低系统的风险。
通过本课程,学生将:
(1) 系统性地了解分布式空间系统的基本概念、动力学与控制基础;
(2) 学习各种建模方法,理解转动坐标系中航天器的运动描述;
(3) 熟悉各类协同制导与控制策略,进行多航天器系统的协同制导与控制仿真;
(4) 了解航天器编队飞行领域的前沿动态,并对多航天器系统的空间应用进行初步的拓展研究。

预修课程

矩阵理论、轨道动力学、现代控制理论

教 材

1. Alfriend K, Vadali SR, Gurfil P, How J, Breger L. Spacecraft formation flying: Dynamics, control and navigation. Elsevier; 2009.
2. Gurfil P, Seidelmann PK. Celestial mechanics and astrodynamics: theory and practice. Berlin: Springer; 2016.
3. Junkins JL, Schaub H. Analytical mechanics of space systems. American Institute of Aeronautics and Astronautics; 2009.

主要内容

第一部分 绪论、航天动力学基础(6学时)
第1次课:绪论、二体问题(3学时)
分布式空间系统概念、二体问题积分常数、经典/非奇异轨道根数、位置速度与轨道根数转换
第2次课:轨道摄动(3学时)
摄动方程、常见摄动模型、平均法、瞬平根数的转换
第二部分 无摄动情况下的相对运动(9学时)
第3次课:动力学方法-CW方程(3学时)
周期条件、状态转移矩阵、相对运动轨迹的几何特征
第4次课:动力学方法-TH方程(3学时)
周期条件、Carter/Yamanaka/Dang状态转移矩阵
第5次课:几何学方法-轨道根数差描述(3学时)
一般相对运动解析解、能量匹配条件、轨道要素差方法、等价性
第三部分 摄动情况下的相对运动(6学时)
第6次课:地球扁率摄动下的有界相对运动(3学时)
J2摄动回顾、J2不变相对运动、Kim-Alfriend 状态转移矩阵
第7次课:近圆轨道的偏心率矢量/轨道倾角矢量方法(3学时)
运动模型、长期演化、相对运动轨迹特征
第四部分 相对运动控制(9学时)
第8次课:相对运动的脉冲控制(3学时)
双脉冲方法、多脉冲方法、优化方法
第9次课:相对运动的持续推力控制(3学时)
李雅普诺夫方法、LQR方法、分布式控制
第10次课:相对运动的地面模拟(3学时)
系统组成、国内外典型模拟系统、模拟试验
第五部分 分布式空间系统前沿(6学时)
第11次课:内耦合编队--星间库仑力编队(3学时)
基本原理、运动建模与控制方法、应用
第12次课:分布式空间系统的应用(3学时)
引力波探测应用、对地定位应用、在轨服务应用
第六部分 考试(2学时)
第13次课:考试

参考文献

1. Vallado DA. Fundamentals of astrodynamics and applications. Springer Science & Business Media; 2001.
2. Battin RH. An introduction to the mathematics and methods of astrodynamics, revised edition. American Institute of Aeronautics and Astronautics; 1999.